[논문]PRAM 용 GST계 상변화 박막의 조성에 따른 특성

장낙원

문제 정의

상변화 재료는 온도가 변함에 따라 비정질에서 결정질로 상전이가 일어나면 전기 전도도 및 전기 저항이 급격히 변화한다. 따라서 본 연구에서는 4-point probe measurement 를 사용하여 증 착된 Ge2Sb2Te5 와 Sb2Te3 박막의 온도에 따른 면저항을 측정하여 상전이 전후의 전기적 특성에 대해 조사하였다. 열처리공정 동안에 상변화 박막 이 산화되는 것을 막기 위해 질소 분위기에서 열 처리를 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 Ge-Sb-Te 삼성분계 조 성 중에서 상변화 메모리에 응용하기 적합한 조성 을 알아보기 위해 Ge2Sb2Te5 와 Sb2Te3 조성의 박막을 RF sputtering 시스템을 이용하여 제작 한 후. 박막의 조성 및 증착 온도에 따른 구조적.
본 연구에서는 Ge2Sb2Te5 와 Sb2Te3 박막의 열적 특성을 알아보기 위해 DSC 분석을 하였다. 상변화 메모리는 상변화 재료가 주울 열에 의한 상전이가 이루어져 동작하는 소자이므로 열적 활 성화 과정인 상전이에 대한 열분석이 매우 중요하 다.
본 연구에서는 조성에 따른 상변화 재료의 특성을 알아 보기위해 Ge2Sb2Te5 와 Sb2Te3 조성 의 상변화 박막을 RF sputtering 법으로 제작하 여, 상변화 박막의 조성에 따른 구조적, 열적, 전 기적 특성을 알아본 결과. 다음과 같은 결론을 얻 었다.
본 연구에서는 증착조건에 따른 Ge2Sb2Te5 와 Sb2Te3 박막의 상전이와 미세 구조의 특성을 조 사하였다. Fig.
박막의 조성 및 증착 온도에 따른 구조적. 열적, 전기적 특성을 평가하여 상변화 메모리로 응용이 가능한지 알아보았다.

제안 방법

증착된 Ge2Sb2Te5 와 Sb2Te3 박막의 증착 온도에 따른 결정성을 알아보기 위해 XRD (X-ray Diffractometer: Rigaku, D/MAX-RC)를 이용하였으며, 증착온도에 따른 표면 거칠기를 확인하기 위하여 AFM (Atomic Force Microscope : SPA 400) 으로 RMS (root mean square) 값을 조사하였다. Ge2Sb2Te5 와 Sb2Te3 조성의 박막을 각각 유리 기판 위에 200 nm 두께로 증착한 뒤 긁어내어 분 말로 만든 후, 분말의 승온 속도를 10 ℃/min 로 변화시키며 상전이 온도를 측정하는 DSC (Differential Scanning Calorimetry) 분석을 하였다. 상변화 재료의 상전이에 따른 전기적 특성을 알아보기 위해 증착된 Ge2Sb2Te5 와 Sb2Te3 박막의 온도를 증가시키며 4-point probe measurement (FPP-5000 4-Point Probe) 를 사용하여 온도에 따른 면저항 변화를 조사하였다.
RF sputter 법으로 증착된 상변화 박막의 조 성 및 증착 온도에 따른 구조적, 열적, 전기적 특성을 분석하였다. 증착된 Ge2Sb2Te5 와 Sb2Te3 박막의 증착 온도에 따른 결정성을 알아보기 위해 XRD (X-ray Diffractometer: Rigaku, D/MAX-RC)를 이용하였으며, 증착온도에 따른 표면 거칠기를 확인하기 위하여 AFM (Atomic Force Microscope : SPA 400) 으로 RMS (root mean square) 값을 조사하였다.
증착된 박막이 메모리 소자로 응용되는데 있어 박막의 표면 형상은 중요한 요소이다. 본 연구에서는 조성 및 증착 온도에 따른 표면 거칠기 변화를 관찰하기 위해 스캔 영역을 2#×2#로 하여 AFM 분석을 하였다. Table 1은 증착온도에 따라 측정한 표면 거칠기의 RMS 값을 나타내었고, Fig.
Ge2Sb2Te5 와 Sb2Te3 조성의 박막을 각각 유리 기판 위에 200 nm 두께로 증착한 뒤 긁어내어 분 말로 만든 후, 분말의 승온 속도를 10 ℃/min 로 변화시키며 상전이 온도를 측정하는 DSC (Differential Scanning Calorimetry) 분석을 하였다. 상변화 재료의 상전이에 따른 전기적 특성을 알아보기 위해 증착된 Ge2Sb2Te5 와 Sb2Te3 박막의 온도를 증가시키며 4-point probe measurement (FPP-5000 4-Point Probe) 를 사용하여 온도에 따른 면저항 변화를 조사하였다.
박막 증착시 Target에 걸리는 RF power는 100W 로 고정하였다. 상변화 재료의 저항을 증가시키기 위하여 아르곤에 질소 를 혼합한 N₂/Ar (N = 7at%) 혼합가스를 사용하였으며, 공정 압력을 5 mtorr 로 유지하면서 박 막을 증착하였다. 증착 온도에 따른 박막의 결정 화 특성을 알아보기 위해 기판온도를 상온, 150℃, 200℃ 로 변화시키며 박막을 증착하였다.
따라서 본 연구에서는 4-point probe measurement 를 사용하여 증 착된 Ge2Sb2Te5 와 Sb2Te3 박막의 온도에 따른 면저항을 측정하여 상전이 전후의 전기적 특성에 대해 조사하였다. 열처리공정 동안에 상변화 박막 이 산화되는 것을 막기 위해 질소 분위기에서 열 처리를 수행하였다.
상변화 재료의 저항을 증가시키기 위하여 아르곤에 질소 를 혼합한 N₂/Ar (N = 7at%) 혼합가스를 사용하였으며, 공정 압력을 5 mtorr 로 유지하면서 박 막을 증착하였다. 증착 온도에 따른 박막의 결정 화 특성을 알아보기 위해 기판온도를 상온, 150℃, 200℃ 로 변화시키며 박막을 증착하였다. 증 착된 박막의 두께는 surface profiler (Alpha step 500 KLAtensorX 이용하여 측정하였으 며 , 상변화 박막은 90 ± 5.
RF sputter 법으로 증착된 상변화 박막의 조 성 및 증착 온도에 따른 구조적, 열적, 전기적 특성을 분석하였다. 증착된 Ge2Sb2Te5 와 Sb2Te3 박막의 증착 온도에 따른 결정성을 알아보기 위해 XRD (X-ray Diffractometer: Rigaku, D/MAX-RC)를 이용하였으며, 증착온도에 따른 표면 거칠기를 확인하기 위하여 AFM (Atomic Force Microscope : SPA 400) 으로 RMS (root mean square) 값을 조사하였다. Ge2Sb2Te5 와 Sb2Te3 조성의 박막을 각각 유리 기판 위에 200 nm 두께로 증착한 뒤 긁어내어 분 말로 만든 후, 분말의 승온 속도를 10 ℃/min 로 변화시키며 상전이 온도를 측정하는 DSC (Differential Scanning Calorimetry) 분석을 하였다.
99%의 3인치 Ge2Sb2Te5 와 Sb2Te3 단일 Target을 사용하여 Ge2Sb2Te5, Sb2Te3 조성의 상변화 박막을 RF sputtering 법으로 SiO₂(500A)/Si(n-type) 기판위에 상변화 박막을 증착하였다. 증착에 사용된 Si 기판은 trichloroethylene (TCE), 아세 톤, 메탄올 및 증류수에 넣고 초음파 세척기로 각각 5분간 세척하는 organic cleaning 법으로 세 척한 후, 질소 가스로 수분을 제거하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 조성에 따른 상변화 물질의 특성을 알아 보기위해 순도 99.99%의 3인치 Ge2Sb2Te5 와 Sb2Te3 단일 Target을 사용하여 Ge2Sb2Te5, Sb2Te3 조성의 상변화 박막을 RF sputtering 법으로 SiO₂(500A)/Si(n-type) 기판위에 상변화 박막을 증착하였다. 증착에 사용된 Si 기판은 trichloroethylene (TCE), 아세 톤, 메탄올 및 증류수에 넣고 초음파 세척기로 각각 5분간 세척하는 organic cleaning 법으로 세 척한 후, 질소 가스로 수분을 제거하였다.

성능/효과

1. Ge2Sb2Te5 와 Sb2Te3 박막의 XRD 분석 결과 상온에서 증착된 박막은 비정질상을 나타내었 고, Ge2Sb2Te5 박막은 증착 온도를 150℃에서 200℃ 사이에서 면심입방정 구조인 결정질로, Sb2Te3 박막은 증착 온도를 10CTC에서 150℃ 사이에서 결정화가 이루어진 것을 알 수 있다.
2. 증착 온도가 상온에서 200℃로 증가함에 따라 표면 거칠기가 Ge2Sb2Te5 박막은 0.997(nm) 에서 2.448(nm)로 증가하였으며, Sb2Te3 박 막의 경우 1.023 (nm)에서 6.758 (nm)로 증 가하여 증착 온도가 증가할수록 표면이 거칠어 짐을 알 수 있었다.
3. Ge2Sb2Te5 와 Sb2Te3 박막의 DSC 분석 결과, 상변화 박막이 완전히 결정화가 이루어지는 상전이 온도는 Ge2Sb2Te5 박막은 180℃ 이었 고, Sb2Te3 박막은 125℃ 이었다.
4. 상온에서 증착된 Ge2Sb2Te5 박막은 150℃ 전 후, Sb2Te5 박막은 110℃ 전후에서 상변화 물 질 일부분이 비정질에서 결정질로 바뀌면서 면 저항이 급격히 감소되는 것을 알 수 있다.
5. Ge2Sb2Te5 박막과 Sb2Te5 박막은 상전이 전 후의 저항 차이가 1# Q/n 정도로 상변화 메모 리 소자의 상변화 물질로 사용하는데 충분한 전 기저항 차이를 얻을 수 있었다.
2는 각 조성에서 증착온도 변화에 따른 표면 거칠기 AFM 사진을 나타내었다. Table 1에서 보듯이 증착온도가 상온에서 200℃ 로 증가함에 따라 표면 거칠기가 Ge2Sb2Te5 박막은 0.997(nm) 에서 2.448(nm) 로 증가하였으며, Sb2Te3 박막의 경우 1.023 (nm)에서 6.758 (nm)로 증가하여 증착 온도가 증가할수록 표면이 거칠어짐을 알 수 있다. 상변화 재료의 조성에 따른 특성을 보면 결정화 온도가 낮은 Sb2Te3 박막 이 Ge2Sb2Te5 박막보다 동일한 증착 온도에서 더 큰 표면 거칠기를 나타내는 것을 볼 수 있다.
Sb2Te5 박막은 100℃-150℃ 사이에서 급격히 면저항이 감소하는 것을 알 수 있다. 또한 Sb2Te5 박막은 비정질상일 때의 면저항 값은 1.2 MQ/D 의 값을 나타내었고, 결정질상일때는 890 2/D 의 값을 나타내어 상전이 전후의 저항 차이가 104 Q/D 정도로 상변화 메모리 소자의 상변화 물질로 사용하는데 충분한 전기 저항 차이를 얻을 수 있었다.
이는 열처리 온도가 증가함에 따라 비정 질상에서 결정질상으로 급격히 상전이가 이루어지는 것을 나타낸다. 앞서 나타낸 DSC 와 XRD 결과와 면저항 변화 결과를 비교하여 볼 때, 면저 항이 크게 감소하는 온도인 150 ℃는 XRD 분석 결과에서 나타나듯이 Ge2Sb2Te5 박막내에 비정 질상과 결정질상이 혼재되어 있는 온도이고 DSC 분석을 통해 얻은 Ge2Sb2Te5 박막의 상전이 온도는 180℃ 보다 낮은 온도임에도 불구하고, 온도가 150℃에서 면저항이 크게 감소함을 볼 수 있는데, 이는 상변화 재료의 일부 면적만이 비정질 상에서 결정질상로 바뀌어도 면저항은 크게 감소 된다는 나타낸다.

후속연구

현재 상변화 메모리에 이용되고 있는 상 변화 재료는 이미 광 디스크 분야에 상용화되어 잘 알려져 있는 Ge2Sb2Te5 조성을 사용하고 있으나 아직 명확한 이론적 배경이 미미한 실정이며, 광 메모리 소자가 아닌 반도체 메모리에서 저장 재료로 사용되기 위해서는 Ge2Sb2Te5 의 광학적 특성이 아닌 구조적 특성과 전기적 특성과의 연관 성에 대한 연구가 필수적이다. 또한 고속 스위칭 동작을 할 수 있는 결정화 속도가 빠르며 , 반복 사 용에 있어서 안정적인 동작을 하는 신뢰성을 갖은 새로운 상변화 재료의 개발이 필요하다.

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